Aprovechamiento de la biomasa residual para producción de Biogás. Una revisión de los avances en...

Aprovechamiento de la biomasa residual para producción de Biogás. Una revisión de los

avances en el área

Dra. Zulay NiñoUniversidad de Carabobo – Venezuela

Centro de Estudios para el Aprovechamiento de la Biomasa Residual Instituto de Investigación - Universidad Estatal de Bolívar

Investigador Prometeo-SENESCYT

Dra. Zulay Niño Instituto de Investigación UEB Guaranda- Bolívar-Ecuador

Proceso biológico en el que la materia orgánica, en

ausencia de oxígeno, y mediante la acción de un grupo de

bacterias específicas, se descompone en:

Biogás: productos gaseosos (CH4, CO2, H2, H2S, etc.)

Digestato: mezcla de productos minerales (N, P, K,

Ca, etc.) y compuestos de difícil degradación.

Qué es?

DIGESTIÓN ANAEROBIA


• residuos ganaderos: purines, estiércol

• residuos agrícolas o excedentes de cosechas; residuos de las industrias de transformación de dichos productos.

• para tratamiento de aguas residuales de alta carga orgánica, como las producidas en muchas industrias alimentarias; lodos de tratamiento de aguas residuales

• plantas o residuos sólidos municipales.

A qué puede aplicarse?



Composición: depende del sustrato digerido y del tipo de tecnología utilizada: 50-70% de metano (CH4); 30-40% de anhídrido carbónico (CO2); ≤ 5% de hidrógeno (H2), ácido sulfhídrico (H2S), y otros gases

Poder calorífico:

Características del biogás generado



Permite la reducción de la carga orgánica de los residuos sólidos, evitando así: • malos olores, • proliferación de roedores e insectos,• liberación de los agentes patógenos de origen animal, • contaminación de aguas superficiales y subterráneas, • deterioro de la estructura biológica de la tierra, y• los derrames catastróficos (Sakar et al, 2009) .

Reducción de emisiones de efecto invernadero, el CH4 es producido de manera controlada, evitando su emisión espontanea al ambiente. (Stefen et al, 1998), Aprovechamiento energético de los residuos orgánicos, se produce energía renovable que sustituye a una fuente de energía fósil, reduciendo la producción de CO2. (Pagés et al, 2011).

Aprovechamiento de los subproductos, por otra parte, los residuos restantes, tanto líquidos como sólidos, pueden ser utilizados como biofertilizantes (Lomas et al 1999).

Beneficios asociados?DIGESTIÓN ANAEROBIA


Implantación de sistemas de gestión integral de residuos orgánicos por zonas geográficas, con beneficios sociales, económicos y ambientales.

Beneficios asociados?DIGESTIÓN ANAEROBIA


DIGESTION ANAEROBIAFases de la digestión anaerobia.

Hidrolisis

AcidogénesisAcetogénesis

Métanogenesis


DIGESTION ANAEROBIA

Temperatura. Podrá operarse en los rangos (Bisschops et al., 2009)

psicrofílico (temperatura ambiente), mesofílico (temperaturas de 25 a 45ºC; ideal 30-40°C) o termofílico (temperaturas de 45 a 65 ºC; ideal 50-60°C) (Wang,J. 2014) permite

una permanencia menor en los tanques, pero, debido a su sensibilidad a los cambios de temperatura, exige un control más riguroso.

las tasas de crecimiento y reacción, la sensibilidad a algunos inhibidores, como NH3.

En el rango termofílico se aseguran tasas superiores de destrucción de patógenos.

Se requiere aislamiento para no afectar el proceso por temperaturas ambiente muy bajas (Wang,J. 2014)

Parámetros operacionales a controlar

Hacen referencia a las condiciones de trabajo de los reactores:

http://journal.frontiersin.org/Journal/10.3389/fenrg.2014.00010/full










DIGESTION ANAEROBIAParámetros operacionales a controlar

Temperatura (cont..)

Alkaya et al. [2010] investigaron el efecto de la temperatura sobre la digestión anaerobia de residuos agrícolas y estiércol de ganado en un reactor semi-continuo, operado a 20°C y 35°C.

Temperatura m3 kg-1 VS añadido

35°C 0,299 – 0,324

20°C 0,087 – 0,138


DIGESTION ANAEROBIA

• Agitación. Es fundamental para reducir sustancialmente el tiempo de digestión. Debe transferirse al sistema el nivel de energía necesario para:

favorecer la transferencia de substrato a cada población o agregados de bacterias,

homogeneizar para mantener concentraciones medias - bajas de inhibidores.

Parámetros operacionales a controlar (cont…)

Sadaka y Engler (2000) encontraron que el rendimiento de biogás aumentó en un 33,3% en un reactor con mezclado en comparación con el mismo sustrato procesado en un reactor sin mezclar.


DIGESTION ANAEROBIA

• Tiempo de retención. (HRT)

tiempo medio de permanencia del influente en el reactor, sometido a la acción de los microorganismos, a menores temperaturas se requiere un mayor tiempo de retención que será necesario para que las bacterias que tendrán menor actividad, tengan tiempo de digerir el lodo y de producir biogás.


Alkaya et al. [2010] investigaron el efecto de HRT sobre la digestión anaerobia de residuos agrícolas y estiércol de ganado en un reactor semi-continuo, operado a 20°C y 35°C.

Encontraron: La HRT como un parámetro de funcionamiento no afectó significativamente la AD,

HRT m3 kg-1 VS añadido

20 días 0,042 – 0,182

30 días 0,039 – 0,182


DIGESTION ANAEROBIA

•Velocidad de carga orgánica. (OLR en inglés) Es la cantidad de materia orgánica introducida por unidad de volumen y tiempo.

Valores bajos implican baja concentración en el influente y/o elevado tiempo de retención.

El incremento en la OLR implica una reducción en la producción de gas por unidad de materia orgánica introducida,

Se debe encontrar un valor óptimo técnico/económico para cada instalación y residuo a tratar.


Otros requisitos: reducción de la energía de proceso y la pérdida de calor, control de olores y lograr un sistema fiable con el menor costo de instalación y de funcionamiento posible (Chynoweth et al 1988).





DIGESTION ANAEROBIA

pH,

Rango del valor del pH en el digestor debe estar entre 6,4 y 7,4.

La producción óptima de biogás se logra cuando el valor de pH está entre 7 y 7,1.

En el período inicial de la fermentación, los microorganismos productores de ácido crecen rápidamente; pueden producir grandes cantidades de ácidos orgánicos, que no pueden ser consumidos por los microorganismos formadores de metano. El pH en el interior del digestor puede caer rápidamente. Esto inhibe o incluso detiene el proceso de la digestión o fermentación. (Wang,J. 2014)

En los casos de una disminución en el pH, se puede mantener en el rango óptimo mediante la adición de hidróxido de sodio, carbonato de calcio, o hidróxido de calcio (Sakar et al, 2009)

Parámetros ambientales a controlar

Hacen referencia a condiciones que deben mantenerse o asegurarse para el desarrollo del proceso








DIGESTION ANAEROBIA

• Alcalinidad, para asegurar la capacidad tampón y evitar la acidificación. Es recomendable una alcalinidad superior a 1,5 g/l CaCO3.

• Potencial redox, con valores recomendables inferiores a -350 mV.

• Nutrientes, con valores que aseguren el crecimiento de los microorganismos.

• Tóxicos e inhibidores, cuya concentración ha de ser la mínima posible

Parámetros ambientales a controlar (cont…)


DIGESTION ANAEROBIA

Determinada por la duración de cada una de las fases individuales.

La duración de cada una de estas variará según:

la distribución de los componentes orgánicos,

la disponibilidad de nutrientes,

el contenido de humedad de los residuos,

el grado de humedad del medio sólido y

el grado de compactación inicial.

Duración del proceso


DIGESTION ANAEROBIA

La velocidad del proceso está limitada por la velocidad de la etapa más lenta, la cual depende de la composición de cada residuo.

Fase limitante: la metanogénesis

• Para sustratos solubles

• Para aumentar la velocidad adoptar diseños que permitan una elevada concentración de microorganismos acetogénicos y metanogénicos en el reactor.

• tiempo de proceso del orden de días.

Fase limitante: la hidrólisis

• Para residuos en los que la materia orgánica esté en forma de partículas,

• Tiempos de proceso del orden de semanas, de dos a tres.

• Para aumentar la velocidad se usa el pretratamiento para disminuir el tamaño de partículas o ayudar a la solubilización (maceración, ultrasonidos, tratamiento térmico, alta presión, o combinación de altas presiones y temperaturas)

Etapa limitante del proceso

Duración del proceso


DIGESTION ANAEROBIA

Finalidad: introducir el residuo lo más homogéneo posible, para conseguir una eficiencia y rendimiento elevado de biogás, con las condiciones fisicoquímicas adecuadas al proceso al que va a ser sometido, y sin elementos que puedan dañar el digestor.

Para sustratos, pobres en materia orgánica, es necesario la codigestión con efluentes de algún proceso, como por ejemplo los lodos de espesado, bien como salen o con un tratamiento posterior o con residuos agrícolas.

Pre-tratamientos posibles:

reducción del tamaño de partícula, espesamiento, calentamiento, control de pH, eliminación de metales y eliminación de gérmenes patógenos.

Precauciones: Controlar las fermentaciones espontáneas no almacenar demasiado tiempo, ya que decae muy deprisa la productividad de biogás.

Acondicionamiento del sustrato previo a la producción


DIGESTION ANAEROBIA

Potenciales de producción de biogás de algunos residuos orgánicos de laindustria alimentaria

Fuente: Angelidaki y Ahring, 1997 y GIRO


DIGESTION ANAEROBIA

Co-digestión

El término co-digestión se utiliza para expresar la digestión anaerobia conjunta de dos o más sustratos de diferente origen.

La ventaja principal radica en el aprovechamiento de la sinergia de las mezclas, compensando las carencias de cada uno de los sustratos por separado.

La co-digestión de residuos orgánicos de diferente origen ha resultado una metodología exitosa tanto en régimen termofílico como mesofílico.

La co-digestión es una variante tecnológica que puede solucionar problemas o carencias de un residuo, si son compensadas por las características de otro.

DIGESTION ANAEROBIA

Co-digestión

características relativas para la co-digestión.

Flechas de sentidos diferentes indican unposible interés en la mezcla


DIGESTION ANAEROBIA

Co-digestión

Li et al. [2009] observaron rendimiento de metano 44% superior, en co-digestion de residuos de cocina (KW) y estiércol de ganado (CM) en comparación con un único sustrato.

Se logró también una mejor estabilidad del proceso.

Los experimentos se realizaron a temperatura mesofílica (35◦C) y dos tasas de carga de 10 y 20 kg m-3 VS día-1.

Encontraron que la óptima relación para co-digestión de CM y KW fue mezcla de 3:1.

Estos resultados indican que la co-digestión cuando se emplea para CM aumenta el rendimiento de metano y la estabilidad del bioreactor


DIGESTION ANAEROBIA

Co-digestión

Callaghan et al. [30, 1999] Operaron dos digestores mesofilos discontinuos con HRT de 14 días, el digestor 1: con solo CM y el digestor 2: con CM y los despojos de pescado y sólidos de fábrica de cerveza .

m3 kg-1 VS añadido

% reducción de VS

Dig 1: Solo CM 0,15 31,1

Dig 2: Co-digestión 0,37 47,3

Encontraron que la co-digestión produjo un aumento en el rendimiento de metano, en comparación con la digestión de control utilizando purín de vacuno solo.


DIGESTION ANAEROBIA

Tecnologías de digestión anaerobia

Hay varios tipos de reactores en uso hoy en día, y cada diseño tiene que ver con la calidad de la materia prima para ser digerida, con factores de inversión de capital, y con la función principal de la digestión [Bouallagui et al, 2005].

Reactores de uso común para la DA de residuos estiércol del ganado son:

por lotes (batch)

continuo de una sola etapa y

continuos de dos etapas,

reactor tubular.


DIGESTION ANAEROBIA

Tecnologías de digestión anaerobia

Reactores discontinuos son los más simples. • En un sistema discontinuo, la curva de evolución temporal de la

producción de biogás sigue la misma tendencia que la curva típica del crecimiento de microorganismos (latencia, crecimiento exponencial, estacionalidad y decrecimiento).

• Aquí el concepto de tiempo de retención no tiene sentido y se hablaría de tiempo de digestión.

• Estos reactores han sido aplicados a residuos con una alta concentración de sólidos que dificultan la adopción de sistemas de bombeo, tales como residuos de ganado vacuno con lecho de paja.

El sistema de una sola fase continua utiliza agitación mecánica o recirculación de biogás para mezclar el contenido del digestor continuo.

El sistema de dos fases continuo usa reactores independientes para separar la hidrólisis/acidificación y los procesos acetogénesis/metanogénesis [Ward et al, 2008].

El PFR es un sistema sin mezclar, donde los flujos de residuos semi-continuamente pasan como un tapón a través de un reactor horizontal [Wilkie, 2005].


DIGESTION ANAEROBIATecnologías de digestión anaerobia

En los últimos años, una serie de reactores nuevos diseños se han adaptado y desarrollado, lo que permite una tasa significativamente mayor de reacción por unidad de volumen de reactor [Bouallagui et al, 2005].

Entre estos nuevos reactores se tienen: • Filtros anaeróbicos AF, • Reactor de flujo ascendente por carga secuencial anaeróbico (UASB), • Reactor de lecho fluidizado anaeróbico (AFB), • Reactor de flujo oscilatorio (OFR), etc

El AF, UASB, y AFB puede acumular alta concentración de biomasa y pueden permitir alto tiempo de retención del sólido (SRT), incluso con bajo HRT

El OFR sirve para mejorar las propiedades de ingeniería de procesos, tales como mezcla, velocidad de reacción, etc [Mohod et al, 2008].


PROYECTO A DESARROLLAR

Estudio de la co-digestión anaerobia de residuos de col proveniente del mercado de Guaranda (RC), con estiércol de ganado (CM) en una planta piloto.

• Ensayos batch en planta piloto.

• Condiciones anaerobias mesófilas (de 30 - 35◦C) y termófilas (45-55°C).

• Evaluar el efecto de RC co-digerido con CM

proporción: CM: RC = 100: 0; 75:25; 67:33; 33:67; 0: 100,

basado en % sólidos volátiles (VS) .



Porqué col co-digerida?

Los residuos de col se puede utilizar como único material de alimentación en los procesos de digestión anaerobia, pero su tendencia a la acidificación rápida (acumulación de VFA) es la principal limitación que puede paralizar la metanogénesis (Chanakya, 2009)

La digestión anaerobia tiende a fallar sin la adición de nutrientes externos y agentes buffer (Demeril, 2008) por lo tanto, codigestión con sustratos que tienen una alta capacidad tampón (alcalinidad) como el estiércol puede ser una buena alternativa para el tratamiento eficaz de los materiales altamente biodegradables (como RC).

Porqué estiércol co-digerido?

La adición de materia orgánica fácilmente biodegradable en el digestor con el estiércol animal podría aumentar significativamente la producción de biogás. (EI-Mashad, 2007; Li R, 2009)



1.- Definir la relación de mezcla optima para la co-digestion anaerobia de RC y CM en un reactor batch.

2.- Evaluar el efecto de la temperatura sobre la co-digestion de RC y CM

3. Evaluar el efecto de la agitación sobre la co-digestion de RC y CM.

OBJETIVOS:



Obtención de la materia prima: CM se obtendrá de una granja y el RC se obtendrá del mercado de Guaranda

Pesado y clasificación: se clasifica con la finalidad de separar elementos de origen no orgánico, sean estos vidrios, metales, cartones, etc. Se pesa la materia prima en una balanza.

Pre tratamiento antes de entrar al proceso: se somete a un proceso (doble) de trituración con la finalidad de reducir el tamaño para facilitar el proceso de digestión.

Preparación del Sustrato



Características a determinar al sustrato

Característica a determinar CM RC

TS (%)

VS (%)

TVFA (mg L-1)

TA (mg L-1)

pH

TCOD (mg L-1)

DBO (mg L-1)



Diseño experimental para las pruebas en el reactor

Variables Relación CM :RC

Temperatura(°C)

Velocidad de agitación

(rpm)

Niveles

R1: 100: 0 R2: 75:25 R3: 67:33 R4: 33:67 R5: 0: 100

T1:30

T2: 48

v1: 12

V2: 24



Variables a medir

VariablesSustrato

inicial(g VSL-1)

Rendimiento del biogás(mLg-1 VS)

Rendiemiento de métano(mLg-1 VS)

Remoción de SV(%)

Para cada tratamiento

Los valores de DBO5, pH, acidez, alcalinidad, y sólidos suspendidos volátiles (VSS) también se medirán utilizando la metodología estándar [APHA].


El biogás es un combustible renovable de elevada importancia en la actualidad debido a sus múltiples usos y a su sencilla y económica obtención.

La producción de biogás representa una alternativa importante para la utilización de los residuos orgánicos ganaderos, agrícolas, de aguas residuales y residuos municipales.

La producción de biogás representa además una manera de recuperar sectores afectados por la contaminación física presencial de residuos sólidos y la contaminación biológica que la descomposición de estos residuos representa.

En los próximos años el uso del biogás se verá incrementado debido a la creciente demanda energética y a la búsqueda de nuevos combustibles que desplacen la utilización de los combustibles fósiles que, en la actualidad, resulta contraproducente tanto por su escasez como por la contaminación que su combustión representa.

BIOGASConclusiones


Se realizaran ensayos de co-digestión con RC y CM a diferentes proporciones y se evaluará el efecto de la temperatura y de la agitación sobre estas mezclas.

La digestión anaeróbica podría ser un buen método para la utilización de residuos de col (RC), ya que no sólo puede producir un biocombustible, sino también un residuo sólido mineralizado que se puede utilizar como un bio-fertilizante con una alta concentración de NPK.

Se espera que la utilización de los residuos de col con CM para la producción de biogás sea una de las soluciones apropiadas para su tratamiento y recuperación eficaz de energía.

BIOGASConclusiones


Si supiese qué es lo que estoy haciendo, no le llamaría investigación,

¿verdad? Albert Einstein


Gracias por su atención

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